（通信与信息系统专业论文）嵌入式wimax终端系统设计.pdf

北京邮电大学硕i 研究生学位论文摘要 嵌入式w m a x 终端系统设计 摘要 随着人们对宽带无线通信需求的不断增加 无线宽带通信向更高 速率 更大的覆盖范围 更好的移动性方向发展 w i m a x 技术的出 现正好满足了人们对于无线i n t e m e t 的需求 w i m a x 技术是 最后一 公里 接入的最佳解决方案 本文旨在提出一种嵌入式w i m a x 终端系统的具体设计方案 即 设计一个能够应用在w i m a x 网络的嵌入式无线宽带终端 在此终端 上可继续进行多种应用功能的开发 可以是无线v o l p 手机 具有 w i m a x 功能的p d a 无线监控终端或者是在工业现场工作的通信模 块等 本文首先对w i m a x 无线宽带接入技术以及嵌入式系统的开发 做了较为全面 深入的阐述与分析 然后提出了基于本课题研究的可 行的设计方案 并确定了最终选取的具体设计方案 在系统设计中选用主处理器芯片 w i m a x 芯片的模块化结构 主处理器芯片选用f r e e s c a l e 公司的m c 9 3 2 8 m x l 处理器 在其上可 开发多种终端应用功能 w i m a x 芯片选用富士通开发的 m b 8 7 m 3 4 0 0 系统芯片 这是一款性能卓越 高度集成的w i m a x 系 统芯片 由主处理器模块对w i m a x 模块进行控制并进行数据传输 实现所设计终端系统的w i m a x 接入 在本课题研究的系统设计中 作者主要完成了以下几方面的工 作 1 通过学习调研并进行可行性分析 确定了具体设计方案 2 提出系统的模块化结构 选取合适的硬件设备 完成系统硬 件设计 3 进行系统软件设计工作 主要包括构建嵌入式l i n u x 操作系 统以及相应设备驱动程序的开发 关键词 嵌入式系统w i m a x 嵌入式l i n u x 操作系统s p i 接口 a b s t i u c t e e d d e dw i i a xt e r m n 呵a ls y s t e md e s i g n a b s t r a c t w i r e l e s sb r o a d b a n dc o m m u n i c a t i o ni sd e v e l o p i n gw i t hh i g h e rr a t e w i d e rr a n g i n ga n dm o b i l i t y w i m a xt e c h n o l o g ys a t i s f i e st h en e e do f w i r e l e s si n t e m ea n dw i l lb e c o m et h eb e s ts c h e m eo fl a s to n ek i l o m e t e r a c c e s s t h i sp a p e ra i m st od e s i g na l le m b e d d e dw i r e l e s sb r o a d b a n dn e t w o r k t e r m i n a lw h i c hc a l lb eu s e di nw i m a xn e t w o r k av a r i e t yo f a p p l i c a t i o n sd e v e l o p m e n tc o u l db ed o n eo nt h eb a s eo ft h i st e r m i n a l s y s t e md e s i g n s u c ha sw i r e l e s sv o i pp h o n e s p d aw i t hw i m a x f u n c t i o n w i r e l e s sm o n i t o rt e r m i n a la n dt h ec o m m u n i c a t i o n sm o d u l eu s e d i nt h ei n d u s t r i a ls c e n e f h s t t h i sp a p e ri n t r o d u c e sa n da n a l y s e sw i m a x w i r e l e s s b r o a d b a n da c c e s st e c h n o l o g ya n de m b e d d e ds y s t e md e v e l o p m e n td e e p l y t h e ng i v e st h ep o s s i b l ed e s i g ns c h e m e sb a s e do nt h es t u d yo f t h es u b j e c t a n dd e t e r m i n e st h ef i n a ls e l e c t i o no fs p e c i f i cd e s i g ns c h e m e 乃es y s t e md e s i g nc h o o s e sm o d u l a ra r c h i t e c t u r e 砀es y s t e m c o n t a i n st w om o d u l e m a i np r o c e s s o rc h i pa n dw i l c h i p f r e e s c a l e d r a g o nb a l lp r o c e s s o rm c 9 3 2 8 m x li sc h o s e n t ob et h em a i np r o c e s s o r c h i p av a r i e t yo fa p p l i c a t i o n sc a n b ed e v e l o p e do nt h eb a s eo ft h i sc h i p f u j i t s uw i l 气xc h i pm 旧8 7 m 3 4 0 0 i sak i n do fo u t s t a n d i n gp e r f o r m a n c e a n dh i g h l yi n t e g r a t e dw i l xs y s t e m o n c h i p m a i np r o c e s s o rm o d u l e c o n t r o l sw i m a xm o d u l ea n dd o e sd a t at r a n s m i s s i o nt oa c h i e v ew i m a x a c c e s so f t h ed e s i g n e dt e r m i n a ls y s t e m i nt h es u b j e c ts t u d yo fs y s t e md e s i g n t h ea u t h o r sm a i n l yc o m p l e t e t h ew o r ki nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s 1 d e t e r m i n et h ef i n a ls e l e c t i o no fs p e c i f i cd e s i g ns c h e m et h r o u g ht h e s t u d ya n da n a l y s i so f t h ef e a s i b i l i t y 2 p r o p o s et h em o d u l a r s t r u c t u r eo f s y s t e ma n ds e l e c ta p p r o p r i a t e a b s t r a c t h a r d w a r ea n d e q u i p m e n tt oc o m p l e t eh a r d w a r ed e s i g n 3 d e s i g ns y s t e ms o r w a r em a i n l yi n c l u d e sc o m p i l i n ga n d 劬岱p l a i l t a t i o no f e m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e ma n dm ed e s i g n o f r e l e v a n td r i v e ra n da p p l i e a t i o np r o 掣a m k e yw o r d s e m b e d d e ds y s t e mw i m a xe m b e d d e dl i n u xo s s p i 独创性 或创新性 声明 本人声明所呈交的论文史本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外 论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 申请学位论文与资料若有不实之处 本人承担一切相关责任 本人签名 翌盈 日期 趋z 主 上 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定 即 研究生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属北京邮电大学 学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许学位论文被查阅和借 阅 学校可以公布学位论文的全部或部分内容 可以允许采用影印 缩印或其它 复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后遵守此规定 保密论文注释 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书 非保密论 文注释 本学位论文不属于保密范围 适用本授权书 本人签名 唑日期 丝立i 导师签名 f生丝鸟 日期 一二垫三二l 二j 一 北京邮电大学硕j 研究生学位论文第一章绪论 1 1 课题研究的背景 1 1 1 嵌入式技术 第一章绪论 随着以计算机技术 通讯技术为主的信息技术的发展与互联网的广泛应用 计算机的发展己显示出微型化和专业化的趋势 以台式计算机为主流的时代将进 入以嵌入式系统的形式存在的 后p c 时代 在这个时期 占电子市场主体的 不再是p c 和家用电器 而是具备视听功能 信息处理和双向网络通信功能的信 息电器 后p c 时代是嵌入式系统大行其道的时代 嵌入式系统是根据应用的要求 将操作系统和功能软件集成于计算机硬件系 统中 从而实现了软件与硬件一体化的计算机系统 具有软件代码小 高度自动 化 响应速度快等特点 特别适合于要求实时的和多任务的体系 与嵌入式系统 相结合的嵌入式设备在工控 仿真 数据采集等领域已得到了广泛的应用 嵌入式的基础是以应用为中心的芯片设计和面向应用的软件开发 a r m 体 系作为专为嵌入式系统设计的处理器内核 由于其高性能 低功耗 易扩展的特 点 己成为嵌入式系统领域应用最广泛的处理器之一 而与此同时l i n u xe h 于性 能优越 支持硬件平台广泛 源代码公开 具有极强的网络功能等优点成为设计 嵌入式系统一种很好的选择 1 1 2 无线宽带接入及w i m a x 的产生 无线接入技术常分为移动接入和固定接入两大类 移动接入又可分为高速接 入和低速接入两类 高速接入一般用于蜂窝系统 卫星移动通信系统 集群系统 等实现 而低速接入可用于p c n 个人通信 系统 如c d m a 码分多址 本地 环路 p a c s 个人接入通信系统 p h s 个人手持电话系统 等实现 固定 接入是从交换节点到固定用户终端采用无线接入 它实际上是p s t n i s d n 网 公 共交换电话网 综合数字业务网 的无线延伸 随着多媒体通信的迅速发展 人 北京邮电大学硕 研究生学位论文第一章绪论 们不再局限于传统的语音通信 而更多地需要进行大容量数据的通信 而且随时 随地都能进行通信 无线高速上网 无线v o i p 无线视频点播正在改变着人们 的通信方式 同时也要求无线通信具有更高的速率 更大的覆盖范围 目前主干 网己普遍采用光纤接入 其所提供的带宽已足以保证目前的多媒体通信的需要 但是要做到光纤到户或光纤到路边 其成本太高 在目前来说还不是很现实 提 高通信的最大瓶颈还是在接入这 环节 采用宽带无线接入 并提高其传输速率 己成为了研究的热点 目前无线局域网能够提供几十兆的速率 上百兆的无线传 输速率也已经不是遥不可及的事情了 目前 在国内和国外市场上己经存在有多种无线宽带接入的方式 广泛使用 的主要有 l m d s 本地多点分配系统 m m d s 多信道多点分配系统 w l a n 无线局域网 d b s 直播卫星系统 近年来无线局域网技术得到了 广泛地应用 人们己经能够通过无线局域网实现高速无线上网 随着无线局域网 在企业和家庭用户中的普及 v o w l a n 即无线局域网语音通信 也逐步得到 了应用 但是无线局域网技术存在一些缺点 如覆盖范围小 移动性差 q o s 和 安全性不健全等 随着多媒体通信的发展 人们需要 种更高速率 更大覆盖率 阻及具有移动性的无线宽带接入方式 w i m a x 技术的出现恰好能满足这些要求 w i m a x 的全名是微波存取全球互通 w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o r m i c r o w a v ea c c e s s 它是一种新兴的无线城域网技术 能够为用户提供上百兆 的传输速率以及能够解决宽带无线通信的移动性问题 w i m a x 是采用无线方式 代替有线实现 最后一公里 接入的宽带接入技术 w i m a x 的优势主要体现在 这一技术集成了w i f i 无线接入技术的移动性与灵活性以及x d s l 等基于线缆的 传统宽带接入技术的高带宽特性 区别于当前流行使用的x d s l 或c a b l e 的方式来实现宽带接入 相比于这些技 术 w i m a x 这种无线宽带技术具有明显的优势 首先 w i m a x 能够通过无线 的方式实现宽带连接 而无需铺设线缆 从而显著降低建设成本 其次 w i m a x 的高带宽也是其它接入方式难望其项背的 w i m a x 可以实现的传输距离远 其 5 0 公里的无线信号传输距离是无线局域网所不能比拟的 w i m a x 能够向互联网 提供高速的无线宽带接入 其所能提供的最高接入速度是7 5 m b p s 对无线网络 来说 w i m a x 还有另外一个惊人的数据优势 即能实现一定范围内的移动性 w i m a x 可以提供优良的最后一公里的接入服务 这就是w i m a x 的主要的市场 定位 作为一种无线城域网技术 与w i f i 无线局域网相通后连接到互联网 也 可作为x d s l 等有线接入方式的无线扩展 被视为是实现最后一公里的宽带网络 无线接入的极佳实现方法 w i m a x 可为5 0 公里线性区域内提供服务 用户无需 线缆即可与基站建立宽带连接 所以w i m a x 网络将有望成为全球第三大宽带线 2 北京邮电大学硕 二研究生学位论文 第一章绪论 路 由于w i m a x 较之w i f i 具有更好的可扩展性和安全性 也支持数据 语音和 视频 再加上其独有的服务质量保证 q o s 按需提供的带宽分配 自适应参 数调整等特点 给组网带了更大的灵活性 从而能够实现电信级的多媒体通信服 务 1 2 课题研究的提出 虽然目前w i m a x 技术还处于研究和开发阶段 由于频段和运营商的利益问 题 w i m a x 离大规模商用还需要一段时间 但是我们可以预见到w i m a x 会逐 步走入人们的生活 在一个城市里 只需要安装几个w i m a x 基站 它的信号就 能够覆盖整个城市 人们可以携带无线宽带终端在w i m a x 网络里实现数据和语 音的通信 本课题研究要实现的是一个嵌入式w i m a x 终端系统的设计 即设计一个能 够应用在w i m a x 网络的嵌入式无线宽带终端 这种终端可以是无线v o i p 手机 具有w i m a x 功能的p d a 无线监控终端或者是在工业现场工作的通信模块等 本课题研究的终端设计采用模块化的设计 包括无线网卡和主处理器模块 无线网卡即为w i m a x 网卡 主处理器模块采用基于a r m 9 的嵌入式系统 作者在本课题研究中进行的主要工作为 学习相关知识并进行调研工作 在 此基础上提出课题设计方案 并做可行性分析 确定最终选取的设计方案 进行 系统终端的具体设计 1 3 论文的组织结构 全文共分七章 各章内容安排如下 第一章 绪论 主要介绍了课题的研究背景 本文的主要内容和研究意义以 及论文的结构安排 第二章 w i m a x 无线宽带接入技术 主要介绍以及分析了w i m a x 技术及 i e e e8 0 2 1 6 标准 第三章 嵌入式系统开发 在本章中介绍了嵌入式系统及其开发移植的相关 知识 第四章 嵌入式w i m a x 终端系统的设计方案 在这一章中提出了课题研究 的具体设计方案 包括硬件设计和软件设计方法 第五章 嵌入式w i m a x 终端系统的硬件设计 在这一章中具体介绍了系统 北京邮电大学硕j j 研究生学位论文第一章绪论 的硬件设计方案 包括硬件的设计 选取以及具体硬件设计方法 第六章 嵌入式w i m a x 终端系统的软件设计 在这一章中具体介绍了系统 的软件设计方案 包括构建嵌入式l i n u x 操作系统及设备驱动程序的设计 第七章 总结与展望 对本课题研究的系统设计做了总结 并对课题的后续 开发提出了参考设计方案 4 北京邮电大学硕j 研究生学位论文第二章w i m a x 无线宽带接入技术 第二章w im a x 无线宽带接入技术 2 1w i m a x 无线宽带接入技术概述 随着通信技术和新业务的部署 市场与技术的相互作用 未来通信领域一些 新的特点逐渐显现出来 一方面 传统宽带固定接入用户已经不满足于仅仅在家 庭和办公室等固定环境内使用宽带业务 希望使用宽带接入移动服务 另一方面 传统的移动用户也不满足于简单的语音 短信和低速数据业务 希望能使用更高 数据速率的业务 用户需求的变化使固定宽带接入服务和移动服务在技术和业务 上呈现融合的趋势 宽带移动化和移动宽带化逐渐成为两个领域技术发展的趋 势 并互为补充 互相促进 在移动宽带化方面 3 g p p 3 g p p 2 已经制定了 1 x e v d o h s d p a h s u p a 等技术标准 在移动环境下实现宽带数据传输 在宽 带移动化方面 i e e e8 0 2 工作组先后制定了w l a n 和w i m a x 等技术规范 意 图能沿着固定 游牧 便携 移动这样的演进路线逐步实现宽带移动化 其中i e e e 8 0 2 1 6w i m a x 是宽带移动的重要里程碑 w i m a x 是i e e e8 0 2 1 6 技术在市场推广方面采用的名称 其物理层和m a c 层技术基于在难e e8 0 2 1 6 工作组中开发的无线城域网 w m a n 技术 w i m a x 也是i e e e8 0 2 1 6 d e 技术的别称 w i m a x w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c c s s 全球微波接入互 操作性 是专为支持电信运营商级部署和低成本 免许可证部署而设计的 获 w i m a x 论坛认证的系统 不仅将提供大吞吐量 在2 0 m h z 新信道上最高可达 7 5 m b p s 而且还能够在近视距和非视距环境中实现3 5 英里的信号传播距离 这些系统拥有足够的容量 可以同时支持数百个使用t 1 连接速度的公司和数千 个使用d s l 连接速度的家庭 2 1 1w i m a x 的产生背景 2 0 世纪9 0 年代宽带无线接入技术发展迅速 以本地多点分配系统和多信道 多点分配系统为代表的无线技术的市场定位为小型办公室 s o h o 中 d 企业 城市商业中心等用户 但是这一产业并没有像人们预期的那样进一步繁荣壮大 北京邮屯大学硕j j 研究生学位论文第二章w i m a x 无线宽带接入技术 一个重要的原因就是没有统一的全球性宽带无线接入标准 1 9 9 9 年 i e e e 成立了8 0 2 1 6 工作组来专门研究宽带无线接入技术规范 目 标是要建立 个全球统一的宽带无线接入标准 目前i e e e8 0 2 1 6 主要提及两个 标准 8 0 2 1 6 2 0 0 4 即8 0 2 1 6 d 固定宽带无线接入标准和8 0 2 1 6 e 支持移动特性的 宽带无线接入标准 i e e e8 0 2 1 6 d 标准于2 0 0 4 年l o 月1 日发布 它规范了固定 接入下用户终端同基站系统之间的空中接口 主要定义空中接口的物理层和 m a c 层 8 0 2 1 6 e 标准的最大特点在于对移动性的支持 该标准规定了可同时支 持固定和移动宽带无线接入系统 工作在小于6 g h z 适宜于移动性的许可频段 可支持用户终端以车辆速度移动 同时8 0 2 1 6 d 规定的固定无线接入用户能力并 不因此受到影响 i e e e8 0 2 1 6 工作组主要针对w m a n 的物理层和m a c 层制定规范和标准 为了形成一个可运营的网络 i e e e8 0 2 1 6 技术必然需要其他部分的支撑 所以 w i m a x 论坛应运而生 w i m a x 论坛成立于2 0 0z 年4 月 最初该组织旨在对基 于i e e e8 0 2 1 6 标准和e t s ih i p e r m a n 标准的宽带无线接入产品进行 致性和 互操作性认证 通过w i m a x 认证的产品会拥有 w i m a x oc e r t i f i e d 标识 随着8 0 2 1 6 e 技术和规范的进展 该组织的目标也逐步扩展 不仅要建立一整套 基于m e e8 0 2 1 6 标准和e t s ih i p e r m a n 标准的认证体系 同时还致力于可运 营的宽带无线接入系统的研究 需求的分析 应用模式的探索 市场的拓展等一 系列大力促进宽带无线接入市场发展的工作 通常认为 i e e e8 0 2 1 6 工作组是 i e e e8 0 2 1 6w i m a x 空中接口规范的制定者 而w i m a x 论坛是技术和产业链 的推动者 目前w i m a x 几乎成为了i e e e8 0 2 1 6w i m a x 技术的代名词 其空 中接口规范涵盖了i e e e8 0 2 1 6 d e 标准 2 1 2w i 眦技术应用场景 w i m a x 论坛给出了w i m a x 技术的5 种应用场景定义 即固定 游牧 便 携 简单移动和全移动 1 固定应用场景 固定接入业务是8 0 2 1 6 运营网络中最基本的业务模型 包括 用户因特网接入 传输承载业务及 i f i 热点回程等 2 游牧应用场景 游牧式业务是固定接入方式发展的下一个阶段 终端可以从 不同的接入点接入到一个运营商的网络中 在每次会话连接中 用户终端只 能进行站点式的接入 在两次不同网络的接入中 传输的数据将不被保留 在游牧式及其以后的应用场景中均支持漫游 并应具备终端电源管理功能 3 便携应用场景 在这一场景下 用户可以步行连接到网络 除了进行小区切 换外 连接不会发生中断 便携式业务在游牧式业务的基础上进行了发展 6 北京邮电大学硕上研究生学位论文第二章w i m a x 无线宽带接入技术 从这个阶段开始 终端可以在不同的基站之间进行切换 当终端静止不动时 便携式业务的应用模型与固定式业务和游牧式业务相同 当终端进行切换 时 用户将经历短时间 最长为2 s 的业务中断或者感到一些延迟 切换过 程结束后 1 p i p 应用对当前口地址进行刷新 或者重建i p 地址 4 简单移动应用场景 在这一场景下 用户在使用宽带无线接入业务中能够步 行 驾驶或者乘坐公共汽车等 但当终端移动速度达到6 0 1 2 0 k m h 时 数 据传输速度将有所下降 这是能够在相邻基站之间切换的第一个场景 在切 换过程中 数据包的丢失将控制在一定范围 最差的情况下 t c p f i p 会话不 中断 但应用层业务可能有一定的中断 切换完成后 q o s 将重建到初始级 别 简单移动和全移动网络需要支持休眠模式 空闲模式和寻呼模式 移动 数据业务是移动场景 包括简单移动和全移动 的主要应用 包括目前被业 界广泛看好的移动e m a i l 流媒体 可视电话 移动游戏 移动v o i p m v o i p 等业务 同时它们也是占用无线资源较多的业务 5 全移动应用场景 在这一场景下 用户可以在移动速度为1 2 0 k m h 甚至更高 的情况下无中断地使用宽带无线接入业务 当没有网络连接时 用户终端模 块将处于低功耗模式 2 2i e e e8 0 2 1 6 标准 2 2 1 标准制定进程 i e e e8 0 2 1 6 工作组于2 0 0 2 年4 月8 日正式发布了i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 1 标准 为宽带无线接入 b w a 定义了无线城域网 w m a n 的空中接口规范 它标 志着宽带无线接入将作为一个新的主要途径 把各商业机构和家庭接入全球电信 核心网 i e e e8 0 2 1 6 标准被设计为能逐渐发展 具有公共媒体访问控制 m a c 层 的一组空中接口 但物理层规范取决于使用频谱和相应的法规 i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 1 工作在1 0 6 6 g h z 频段 由于这个频段对于像建筑物和树这样的障碍物无穿透 能力 故要求基站和用户站是视距链路 从而限制了基站的覆盖范围 同时由于 用户站天线的安装要求很高 并且系统受雨衰影响较大 一定程度上阻碍了市场 的发展 一个b w a 系统能否在市场上取得成功 主要取决于系统的服务质量和价格 运营商应该保证在设定的服务区域内 绝大多数用户都能够得到服务 应该避免 北京邮电大学硕1 研究生学位论文 第二章w i m a x 无线宽带接入技术 相邻的两户人家其中一户可以得n n 务而另一户得不到服务的现象 还应避免由 于传输条件和干扰的变化而造成服务时好时坏的现象 另外就价格方面来说 一 方面用户终端应该比较便宜 另一方面 用户终端的安装要求简单 用户可以自 己安装 甚至可以安装在室内 这就要求基站和用户站之间为非视距传输 需要 采用新的物理传输技术 i e e e8 0 2 1 6 工作组于2 0 0 3 年4 月颁布了i e e e8 0 2 1 6 a 该标准支持的工作 频段为2 1 1 g h z 包括了需要发放牌照的频段和免牌照的频段 与高频段相比 该频段能以更低的成本提供更大的用户覆盖 系统受雨衰影响不大 系统可以在 非视距传输环境下运行 大大降低了用户站安装的要求 另外 i e e e8 0 2 1 6 a 的 m a c 层提供服务质量 q o s 保证机制 可支持语音和视频等实时性业务 增 加了对网格拓扑结构网络的支持 能适应各种物理层环境 这些特点使得i e e e 8 0 2 1 6 a 与i e e e8 0 2 1 6 相比更具有市场应用价值 真正成为可用于城域网的无 线接入手段 i e e e8 0 2 1 6 a 标准仅仅是i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 1 标准的修改和扩展 不是一个独 立的标准 所以2 0 0 4 年7 月i e e e8 0 2 1 6 组织又通过了i e e e8 0 2 1 6 1 i e e e 8 0 2 1 6 d 对2 6 6 g h z 频段的空中接口物理层和m a c 层做了详细规定 定义了 支持多种业务类型的固定宽带无线接入系统的m a c 层和相对应的多个物理层 该标准对i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 1 和i e e e8 0 2 1 6 a 进行了整合和修订 但仍属于固定宽 带无线接入规范 是相对比较成熟并且最具实用性的一个标准版本 i e e e8 0 2 1 6 e 是工作在2 6 g h z 频段支持移动性的宽带无线接入空中接口 标准 制订i e e e8 0 2 1 6 e 的目的是为了实现既能提供高速数据业务又使用户具 有移动性的宽带无线接入解决方案 i e e e8 0 2 1 6 e 被业界视为目前唯一能与3 g 竞争的下一代宽带无线技术 i e e e8 0 2 1 6 e 的目标是能够向下兼容i e e e8 0 2 1 6 d 因此i e e e8 0 2 1 6 e 的标准化工作基本上是在i e e e8 0 2 1 6 d 的基础上进行的 在 i e e e8 0 2 1 6 d 固定无线接入标准研制的基础上 为了支持移动特性 i e e e8 0 2 1 6 e 提出了具有移动特性的系统框架结构 除了以上几个标准外 另外还有3 个重要标准 第一个是2 0 0 2 年正式发布 的i e e e8 0 2 1 6 e 它是对i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 1 的增补 是使用1 0 6 6 g h z 频段i e e e 8 0 2 1 6 系统的兼容性标准 它详细规定了工作于1 0 6 6 g h z 频段的i e e e8 0 2 1 6 系统在实现上的一系列特性和功能 第二个是i e e e8 0 2 1 6 f 它定义了正e e 8 0 2 1 6 系统m a c 层和物理层的管理信息库 m i b 以及相关的管理流程 第三 个是i e e e8 0 2 1 6 9 制订它的目的是为了规定标准的i e e e8 0 2 1 6 系统管理流程 和接口 从而实现i e e e8 0 2 1 6 设备的互操作性和对网络资源 移动性和频谱的 有效管理 i e e e8 0 2 1 6 f 和i e e e8 0 2 1 6 9 这两个标准是2 0 0 4 年5 月1 71 5 1 在深圳 8 北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章w i m a x 无线宽带接入技术 召开的由中兴通讯公司承办的i e e e8 0 2 1 6 工作组第3 1 次会议上提出的 目的 是在网络管理层面形成新标准 2 2 2 协议栈参考模型 i e e e8 0 2 1 6 标准描述了一个点到多点的固定宽带无线接入系统的空中接 口 包括m a c 层和物理层两大部分 i e e e8 0 2 1 6m a c 层能支持多种物理层规 范 以适合各种应用环境 i e e e8 0 2 1 6 协议栈模型如图2 1 所示 敷菇控制叶 由f 理1 血 图2 1i e e e8 0 2 1 6 协议栈模型 m a c 层由特定业务汇聚子层 c o n v e r g e n c es u b l a y e r c s m a c 公共部分 子层 c o m m o n p a r ts u b l a y e r c p s 和加密协议子层 s e c u r i t ys u b l a y e r s s 3 部分组成 其中加密协议子层是可选的 特定业务汇聚子层的主要功能是负责将其业务接入点 s a p 收到的外部网 络数据转换和映射到m a c 业务数据单元 s d u 并传递到m a c 层业务接入点 s a p 具体包括对外部网络数据s d u 执行分类 并映射到适当的m a c 业务 流和连接标识符 c i d 上 甚至可能包括净荷头抑制 p h s 等功能 协议提 供多个c s 规范作为与外部各种协议的接口 m a c 公共部分子层是m a c 层的核心部分 主要功能包括系统接入 带宽 分配 连接建立和连接维护等 它通过m a cs a p 接收来自各种c s 层的数据并 分类到特定的m a c 连接 同时对物理层上传输和调度的数据实施服务质量 q o s 控制 通常说的m a c 层主要指m a cc p s 加密协议子层的主要功能是提供认证 密钥交换和加解密处理 物理层由传输汇聚子层 t c l 和物理媒质依赖子层 p m d 组成 通常说 9 北京邮电大学硕j 研究生学位论文第二章v c i m a x 无线宽带接入技术 的物理层主要是指p m d 物理层定义了两种双工方式 t d d 和f d d 这两种方 式都使用突发数据传输格式 这种传输机制支持自适应的突发业务数据 传输参 数 调制方式 编码方式 发射功率等 可以动态调整 但是需要m a c 层协助 完成 2 2 3 技术特点 2 2 3 1m a c 层 i e e e8 0 2 1 6 的m a c 层支持点对多点的宽带无线接入应用 主要是在上行 和下行链路上进行高速传输 为了让多个用户共享一个物理信道 m a c 层必须 要有有效的接入和带宽分配算法以支持各种业务的q o s 保证 标准定义了4 种 不同的业务类型 它们分别为 主动授予服务 u g s 实时轮询业务 r t p s 非实时轮询业务 n r t p s 尽力传输业务 b e i e e e8 0 2 1 6 可以根据不同的 q o s 动态分配带宽 具有较大的灵活性 i e e e8 0 2 1 6m a c 层是基于连接的 为 了映射各个用户站 s s 的服务 提供不同级别的q o s 所有的数据通信都是 建立在连接的基础之上的 当网络系统中出现s s 时 业务流就被提供了 s s 注 册后 连接就与业务流一一对应 从而可让各端分清是谁申请了带宽 此外 当 一个用户的服务需要改变时 新的连接也将建立 一个连接标识了b s 和s s 的 m a c 层中对等实体间的连接信息 同时映射到一个业务流 业务流则为该连接 上传输的协议数据单元 p d u 定义了q o s 参数 因此 业务流实际上提供了 上下行q o s 管理的机制 并且和带宽分配的进程紧密联系 一个s s 以基于每个 连接 即基于不同业务流 的方式请求上行带宽 b s 在某个时间调度间隔内 或者对一个s s 的所有请求总地授予一个带宽 或者按每个连接来授予带宽 因 此从以上的分析可以看出 i e e e8 0 2 1 6 可以在无线接入网部分为不同业务提供 不同质量的服务 2 2 3 2 物理层 为了更好地使用带宽 i e e e8 0 2 1 6 支持时分双工 t d d 和频分双工 f d d 模式 两种模式下都采用突发 b u r s t 格式发送 在每一帧中 b s 和各个s s 可以根据需要灵活地改变突发的类型 从而选取适当的发射参数 如调制方式 编码类型等 在f d d 模式下 系统支持全双工s s 也支持半双工s s 上行时 物理层基于时分多用户接入 t d m a 和按需分配多用户接入 d a m a 相结合的方式 上行信道被划分为许多个时隙 初始化 竞争 维护 l o 北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章w i m a x 无线宽带接入技术 业务传输等应用都是通过占用一定数量的时隙来完成的 其占用的数量由b s 的 m a c 层统一控制 并根据系统性能优化要求而动态改变 下行信道采用时分复 用 t d m 方式 b s 侧产生的信息被复用成单个的数据流 广播发送给扇区内 的所有s s 每个s s 接收到广播消息后 在m a c 层中提取检查消息连接的c i d 信息 从而判断出发给自己的信息 丢弃其他信息 b s 还可以以单播 多播的 方式向一个或一组s s 发送消息 为了支持半双工f d d 方式下的s s 协议为下 行链路提供一部分t d m a 访问方式 i e e e8 0 2 1 6 的载波带宽可以采用从1 2 5m h z 2 0m h z 之间的带宽 考虑 各个国家已有固定无线接入系统的载波带宽划分 i e e e8 0 2 1 6 规定了载波带宽 可以是1 2 5m h z 的倍数或1 7 5m h z 的倍数 1 2 5m h z 系列固定无线接入系统 带宽包括 1 2 5 2 5 5 1 0 2 0m h z 等 1 7 5m h z 系列包括 1 7 5 3 5 7 1 4m h z 等 对于1 0 6 6g h z 的固定无线接入系统 还可以采用2 8m h z 载波带宽 提供更 高的接入速率 i e e e8 0 2 1 6 标准中主要规定了两种调制方式 单载波和正交频分复用 o f d m 对于1 0 6 6g h z 频段的无线接入系统 由于工作波长较短 必须要 求视距传输 而多径衰落是可以忽略的 因此i e e e8 0 2 1 6 规定在该频段采用单 载波调制方式 具体可以采用正交移相键控 q p s k 1 6 相正交幅度调制 1 6 q a m 和 相正交幅度调制 6 4 q a m 调制方式 而对于2 l lg h z 频 段 必须考虑多径衰落 而多径衰落会引起符号间干扰 i s i 克服符号间干扰 的措施一般采用自适应均衡器 但随着数据传输速率的提高 为了克服i s i 往 往要求均衡器的抽头数很大 均衡器的复杂性大大增加 在多径信道中 色散符 号数n 和数据速率成线性增长的关系 而均衡器的复杂性随n 线性增长 有时 甚至呈平方增长 例如 一个2 0 0k b s 的q p s k 系统 符号周期为1 0 峭 如果 多径信道的时延拓展为2 0l l s 则相应地n 2 0 1 0 2 个符号 这时的均衡器不 太复杂 比较容易实现 但是如果数据传输速率增加4 0 倍 即8m b s 则n 等 于8 0 个符号 相应均衡器的复杂度要增加1 6 0 0 倍 考虑n 2 趋向无穷大 这大 大超出了当前器件的处理能力 因此在宽带无线系统中 应考虑采用其他的技术 来克服i s i 近年来 由于数字信号处理器 d s p 技术的飞速发展 o f d m 作 为一种可以有效对抗i s i 的高速传输技术 引起了广泛关注 所以在2 1 1g h z 频段上主要采用o f d m 和o f d m a 技术 基于o f d m 的物理层采用2 5 6 个子载波 每个子载波的调制方式可以选用 b p s k q p s k 1 6 q a m 或6 4 q a m 其中1 9 2 个子载波用于传输数据 8 个为导 频子载波 5 5 个为保护子载波 高频段2 7 个 低频段2 8 个 1 个为直流子载 波 在时域中 使用逆快速傅立叶变换 i f f t 产生o f d m 波形 北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章w i m a x 无线宽带接入技术 i e e e8 0 2 1 6 e 的物理层实现方式与i e e e8 0 2 1 6 d 基本一致 主要差别是对 o f d m a 进行扩展 在i e e e8 0 2 1 6 d 中 仅规定了2 0 4 8 点o f d m a 而在i e e e 8 0 2 1 6 c 中 可以支持2 0 4 8 点 1 0 2 4 点 5 1 2 点和1 2 8 点o f d m a o f d m 是i e e e 8 0 2 1 6 中的核心物理层技术 也是目前b 3 g 的关键技术之一 标准采用自适应 调制编码来提高系统容量 即根据链路条件 以帧为单位对每个用户站自适应分 配调制和信道编码方式 实时地在系统容量和链路性能之间折衷 另外协议还支 持2 发l 收的发送分集 采用a l a m o u t i 空时分组码 s t b c 在接收端通过合并 获得分集增益 为了解决覆盖问题 标准还支持格状网 m e s h 结构 每个用 户单元都是网络设施的一部分 通过多跳路由来实现网络的全覆盖 2 2 4i e e e8 0 2 1 6 与w i m a x 为有助于将i e e e8 0 2 1 6 定义的广义标准变成更加具体的标准 以满足特定 服务提供商的需求 i n t e l 奥维通 a i r s p a nn e t w o r k s 诺基亚 p r o x i m r e d l i n e a n da p e r t on e t w o r k s a t t 等1 0 0 家生产 运营商成立了一个非盈利工业贸易 联盟组织 晰m a x 论坛 目标是对以i e e e8 0 2 1 6 系列宽带无线接入标准为 基础的产品互通性进行测试和认证 以保证市场上设备的部件是标准化的 基于i e e e8 0 2 1 6 系列标准的w i m a x 的特点明显 实现的5 0k m 无线信号 的传输距离是无线局域网所不能比拟的 网络覆盖面积是3 g 发射塔的1 0 倍 只要建设少数基站就能实现全城覆盖 使得无线网络应用范围大大扩展 提供的 接入速度达7 0 m b s 1 4 m h z 载波 使无线网络的接入速度有了一个很大的进 步 2 3l e e e8 0 2 1 6 d e w i m a x 目前 i e e e8 0 2 1 6 标准主要包括i e e e8 0 2 1 6 d 和i e e e8 0 2 1 6 e 8 0 2 1 6 d 的 初衷是统一固定无线接入的空中接口 该标准可以应用于2 1 1 g h z 非视距传输 和1 0 6 6 g i i z 视距传输 而i e e e8 0 2 1 6 e 的目标是能够向下兼容i e e e s 0 2 1 6 d 为了支持移动特性 在i e e e 8 0 2 1 6 d 的基础上加入了切换 q o s 安全等新的特 性 8 0 2 1 6 d 对2 6 6 g h z 频段的空中接口物理层和m a c 层做了详细规定 定 义了支持多种业务类型的固定宽带无线接入系统的m a c 层和相对应的多个物理 层 该标准对前几个标准进行了整合和修订 但仍属于固定宽带无线接入规范 它保持了8 0 2 1 6 1 6 a 等标准中的所有模式和主要特性同时未增加新的模式 增 1 2 北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章w i m a x 无线宽带接入技术 加或修改的内容用来提高系统性能和简化部署 i e e e8 0 2 1 6 d 是固定宽带无线接入的标准 该标准定义了三种物理层实现方 式 单载波 o f d m 2 5 6 p o i n t o f d m a 2 0 4 8 p o i n t 2 3 18 0 2 1 6 d e 技术特征 在多址方式方面 8 0 2 1 6 d e 在上行采用